城市污水處理廠出水氨氮升高原因分析

柴春省 張 永

城市污水處理廠出水氨氮升高原因分析

柴春省 張 永

采用氧化溝工藝的城市污水處理廠，由于資金不足或設備檢修等原因，而中斷運行一周以上時間后，重新運行會出現出水氨氮高于進水氨氮的情況。本文以奧貝爾氧化溝工藝為例，以生物脫氮理論為依據；從有機氮的氨化、硝化、反硝化及微生物學，生物化學等方面，對產生此現象原因進行分析探討。

在城市污水處理廠運行管理工作中，常常發現因設備檢修或其他原因，而中斷運行一周以上時間后重新運行，會出現出水氨氮高于進水氨氮的現象。本文以奧貝爾工藝為例，從生物脫氮原理上對產生此現象的原因作些分析探討，供同行切磋。文中將奧貝爾氧化溝第一溝、第二溝、第三溝分別作為缺氧、厭氧、好氧池來論述，是依據三溝內溶解氧的控制值來劃分的。實際上，由于奧貝爾工藝采用轉蝶表面曝氣，致使溶解氧在混合液中的分布是不均勻的，在第一溝厭氧環境中，也存在著局部DO＞0.5mg/l的情況；同時在第三溝好氧環境中，也存在著DO＜1.0mg/l的情況。為了從理論上更好地進行分析，文中所提到的厭氧、好氧均設定為理想條件。

奧貝爾氧化溝工藝概況

如圖奧貝爾氧化溝工藝流程圖所示：

奧貝爾氧化溝由三個同心的橢圓形溝渠組成，第一溝的容積為總容積的50％、第二溝為35％、第三溝為15％。在運行時，保持第一、第二、第三溝的溶解氧分別為＜0.2mg/l、＜0.5mg/l、＞2.0mg/l。污水及內、外回流污泥先引第一溝，在其中不斷循環的同時，依次進入第二溝和第三溝，其處理工藝與倒置A-A-O工藝相似，相當于流經過缺氧、厭氧、好氧一系列完全混合反應池。在其間，經過氨化、硝化、反硝化等生物化學過程，有機物得以去除，BOD5、COD得到降低，同時達到脫氮除磷的目的。

生物脫氮原理及過程

在奧貝爾氧化溝活性污泥中的菌群，主要由硝化細菌、反硝化細菌、兼性異養細菌、聚磷菌等組成。當經預處理過的污水、外回流污泥和富含硝酸鹽和少量溶解氧的內回流混合液流入第一溝，其環境缺氧狀態，反硝化細菌利用進水中低分子有機物，將內回流混合液帶入的大量NO3--N通過生物反硝化作用，將其還原為氮氣釋放，從而達到脫氮的目的，同時有機氮轉化為NH3-N、部分BOD5得以去除；當污水及內外回流混合液進入第二溝時，因內回流所攜帶的硝態氮已被還原為氮氣，少部分溶解氧也被完全消耗因此第二溝為厭氧狀態，聚磷菌將利用污水中剩余的低分子有機物釋放磷；當混合液進入第三溝好氧環境中，硝化細菌將進水中的氨氮和由有機氮氨化成的氨氮通過生物硝化作用，將其轉化成NO3--N；同時在第三溝好氧條件下，聚磷菌超量吸收介質中磷，運行中通過排放剩余污泥實現生化除磷。

當污水內外回流污泥流經奧貝爾氧化溝以后，將歷經有機氮的氨化、生物硝化反硝化、聚磷菌的釋磷和吸磷、有機物的水解和氧化分解等生化過程，COD、氨氮、磷酸鹽等得以去除；在第一溝、第二溝缺氧厭氧的條件下，有機氮氨化成氨氮，致使NH3-N濃度逐漸升高，到第三溝達最大值，同時在第三溝溶解氧DO＞2.0mg/l的環境中，隨著硝化反應將NH3-N轉化為NO3—N，其濃度降低；內混流攜帶大量含NO3—N混合液流入第一溝致使NO3--N濃度迅速升高，隨著反硝化反應的進行NO3--N濃度逐漸降低，當混合液流入第三溝好氧段中隨著硝化反應的進行NO-3-N濃度又迅速升高。

從奧貝爾氧化溝生物脫氮工藝原理及過程可以看出，造成出水氨氮高于進水氨氮的原因在于，重新運行時有機氮氨化還可以繼續進行而硝化過程卻受到了抑制。是什么原因致使硝化過程受到抑制，氨化過程又何以能繼續進行？這要從氨化和硝化反應的機理、微生物特性以及影響因素等方面來分析。

有機氮生物氨化

所謂生物氨化，就是指污水中的有機氮在微生物的作用下，將有機氮轉化為氨氮的生物過程，同時有機污染物得以去除BOD5濃度降低。

生化處理系統中作用于生物氨化的細菌種類繁多，既有好氧菌、厭氧菌、又有兼性異養菌。可見，有機氮的氨化反應無論在厭氧、缺氧、好氧，還是在中性、堿性還是酸性環境中都能進行，只是作用微生物種類不同，作用強弱不一。由于生物氨化的微生物多樣化，所以污水廠停止運行一段時間后重新運行對有機氮生物氨化反應影響并不大，污水由奧貝爾氧化溝第一溝經第二溝流入第三溝的過程，仍然可實現有機氮的氨化，造成氨氮的累積，致使第三溝NH3-N濃度達到最高值。

硝化反應機理、微生物特性及影響因素

硝化反應機理

由于有機氮的生物氨化使得奧貝爾氧化溝第三溝NH3-N濃度達到最高值，同時在第三溝DO＞2mg /L溶解氧充足條件下生活著兩類好氧型微生物，即亞硝酸細菌和硝酸細菌。這些細菌利用CO3-2HCO-3和CO2等無機碳作為碳源，第一步在亞硝酸菌作用下將氨氮轉化為亞硝酸鹽；第二步在硝酸菌作用下，將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽，同時亞硝酸菌和硝酸菌都利用這兩個反應產生的能量合成新細胞和維護正常的生命活動。

由此可見在奧貝爾氧化溝第三溝中硝化反應是個快速過程，使絕大部分NH3-N轉化為NO-3，其中小部分NH3-N在硝酸菌作用下，經同化作用轉化為新的細胞和維護正常的生命活動，使出水NH3-N濃度達到最低值。

硝化細菌特性

硝化系統活性污泥中的亞硝酸菌和硝酸菌，都屬于化能自養微生物。首先，它們為專性好氧菌，無氧時即停止生命活動，而不象分解有機物的細菌那樣大多數為兼性異養菌，因此停運期間它們大部分都已死亡。而將有機氮轉化為NH3-N的氨化細菌絕大部分為兼性異養菌，生化系統停運期間對他們活性影響并不大，所以重新運行時氨化過程仍能正常進行而硝化過程卻不能進行。

硝化菌增殖特性與泥齡SRT

硝化菌的比增殖速度比活性污泥中占大多的兼性異養菌比增殖速度小1個數量級（見表1）。主要因為硝化細菌攝氧速率較降解有機物的微生物低的多，若環境中沒有充足的溶解氧，硝化細菌將很難“爭奪”到硝化反應所需要的氧，這就決定了它增殖速度慢，世代期長。因此生化系統重新運行后要想使硝化菌達到將NH3-N全部轉化為NO-3-N的能力或者說數量需要一段時期的恢復，也就是說需要生物硝化系統的泥齡SRT至少應在8d以上。

表1　硝化細菌與異養菌的增殖速度

溶解氧的影響

一般情況下將每克NH3-N轉化成NO3-N約需氧4.75g，要使硝化反應順利進行，需要保持混合液中溶解氧＞2.0mg/l，理論上當DO＜2.0mg/l時硝化反應將受到抑制；當DO＜1.0mg/l時，硝化將受到完全抑制并趨于停止。因為硝化細菌絕大多數都包裹在活性污泥菌膠團中，只有當混合液保持中較高的溶解氧濃度，才能將保證混合液中的溶解氧進入活性污泥菌膠團中內，被硝化菌利用。然而停止運行那段時期，沉淀下來的活性污泥進行內源呼吸、反硝化、厭氧反應，會釋放出CO2、N2、CH4、NH3等氣體，這些氣體溶解在水中呈飽和態，當重新運行時，無論采用轉刷還是轉蝶充氧，水中溶解氧都很難達到硝化反應所要求的溶解氧濃度，因此對硝化細菌繁殖和硝化反應進行都起到暫時抑制作用。而反硝化細菌和氨化細菌是一種兼性異養菌，對缺氧環境有一定忍耐性、適應性，因此，停運期間對它的影響并不大。

F/M影響

生物硝化屬低負荷工藝，F/M一般都要求在0.15kgBOD/kgMLVSS.d 以下，即BOD5一般應小于2.0mg/l，若進水中有機負荷過高，降解有機物的異養微生物將迅速繁衍同時會消耗大量溶解氧，從而使硝化細菌生長緩慢，且好氧的硝化菌得不到優勢，結果降低了硝化速確度，致使NH3-N向NO-3-N轉化的效率大大降低，出水氨氮升高。且中斷運行一般時間后，由于活性污泥中的微生物在缺乏營養物質和分解有機物所需氧氣條件下而大量死亡，導致MLVSS大大下降，再重新運行時，相對于正常運行時低負荷的污水對于它來說也算上是高負荷，因此重新運行從生物硝化所要求的有機負荷來說也不利于硝化反應進行。

結語

硝化細菌的專性好氧性、比增殖速度慢、世代期長與氨化細菌多樣性，對環境的廣泛適應性，是城市污水處理廠，間斷性運行時出水氨氮高于進水氨氮主要因素。

解決此問題的主要措施是：

一、盡量避免或減少停運次數；

二、增加好氧段的曝氣量，提高混合液的溶解氧，堅持運行一周后，問題就能解決。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.008